(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置において、燃料電池スタックからの水素ガスを可燃限度（４％）以下の適正な水素濃度に希釈してから大気に排出する水素排出装置の提供。【解決手段】燃料電池スタック４に連結した酸素ガスを排出する第一排出路２６、水素ガスを排出する第二排出路３６を設け、該第二排出路にはパージバルブ５０を設けるとともに第一排出路が連結された合流部３８と大気排出口５４を接続する第三排出路５６を連結して設け、燃料電池システムの停止時において、先ず燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止し、次に残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブを開放制御する制御手段６２を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸化ガスとを供給することにより発電するとともに、この発電に使用された水素ガスと酸素ガスとを排出する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置において、前記燃料電池スタックの酸素ガス排出口に連結されて酸素ガスを排出する第１排出路を設け、上流側が前記燃料電池スタックの水素ガス排出口に連結されるとともに下流側が前記第１排出路に連結されて水素ガスを排出する第２排出路を設け、この第２排出路には該第２排出路を開閉するパージバルブを設けるとともに前記第１排出路が連結された合流部と大気排出口とを接続する第３排出路を連結して設け、前記燃料電池システムの停止時において、先ず、前記燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、前記パージバルブを開放制御する制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置。
【請求項２】
前記制御手段は、水素系圧力が設定値よりも低下したときに、前記パージバルブを開放制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置。
【請求項３】
前記パージバルブは、水素ガスを前記燃料電池スタックに圧送する水素循環ポンプを含む水素循環路の近傍に配設されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置。
【請求項４】
前記燃料電池システムには、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給路を設け、この酸化ガス供給路には、酸化ガスを圧送するコンプレッサの下流側から分岐して前記第１排出路に連結するバイバス通路を設け、このバイバス通路には、前記第１排出路への空気流量を調整可能な空気量調整バルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動中に、前記コンプレッサと前記空気量調整バルブとを作動制御し、大気中に排出される水素ガスの水素濃度を調整することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置に係り、特に大気に排出される水素ガスを希釈する燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極（水素極）とカソード側電極（空気極）とを対向して配置した燃料電池セルを複数個組み合わせて構成された燃料電池スタックを設け、アノード側電極（水素極）に水素循環ポンプ（燃料ポンプ）によって水素ガス（アノードガス）を供給するとともに、カソード側電極（空気極）にコンプレッサによって酸化ガス（空気）を供給し、そして、燃料電池スタックでは、この供給された水素ガスと酸化ガスとにより発電するとともに、燃料電池システムの停止の際に、この発電に使用された水素ガス（水素オフガス）と酸素ガス（酸素オフガス）とを排出している。
【０００３】
従来、燃料電池システムにおける水素ガスの排出装置には、水素ガス排出路の水素ガスを酸素ガス排出路の混合部で酸素ガスと混合して希釈し、この混合されたガスを白金触媒を備えたコンバスタに送り、このコンバスタで混合ガスに含まれる水素濃度を低減し、このように、水素濃度を低減した水素ガスを大気に排出しているものがある。
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来、燃料電池システムの水素ガスの排出装置においては、大気に排出される水素ガスの水素濃度を可燃限度（４％）以下にしなければならないが、この大気に排出される水素ガスを希釈化するためには、空気ブロア等の機器が必要になるとともに、燃料電池スタックから排出された水素ガスの水素濃度が高かった場合に、水素濃度を適正な値まで低減することが困難であるという不都合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、水素ガスと酸化ガスとを供給することにより発電するとともに、この発電に使用された水素ガスと酸素ガスとを排出する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置において、前記燃料電池スタックの酸素ガス排出口に連結されて酸素ガスを排出する第１排出路を設け、上流側が前記燃料電池スタックの水素ガス排出口に連結されるとともに下流側が前記第１排出路に連結されて水素ガスを排出する第２排出路を設け、この第２排出路には該第２排出路を開閉するパージバルブを設けるとともに前記第１排出路が連結された合流部と大気排出口とを接続する第３排出路を連結して設け、前記燃料電池システムの停止時において、先ず、前記燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、前記パージバルブを開放制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
この発明の燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置は、燃料電池システムの停止時において、先ず、燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブを開放することから、燃料電池スタックから排出される水素ガスの量を低下させた後に、燃料電池スタックからの水素ガスを酸素ガスと混合し、燃料電池スタックからの水素ガスを、可燃限度（４％）以下の適正な水素濃度に希釈してから大気に排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
この発明は、燃料電池スタックから排出された水素ガスを、可燃限度（４％）以下の適正な水素濃度に希釈して大気に排出する目的を、燃料電池スタックから排出される水素ガスの量を低下させた後に、燃料電池スタックからの水素ガスを酸素ガスと混合して実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
【実施例】
【０００８】
図１〜図３は、この発明の実施例を示すものである。
【０００９】
図１において、２は車両（図示せず）に搭載された燃料電池システムである。
【００１０】
この燃料電池システム２には、アノード側電極（水素極）とカソード側電極（空気極）と固体高分子電解質膜とからなる燃料電池セル（図示せず）を複数個組み合わせて構成した燃料電池スタック４が設けられている。この燃料電池スタック４は、水素ガスと酸化ガスとを供給することにより発電するとともに、この発電に使用された水素ガス（水素オフガス）と酸素ガス（酸素オフガス）とを排出するものである。
【００１１】
このため、燃料電池システム２には、燃料電池スタック４に空気（カソードガス：酸化ガス）を供給する空気系の空気供給機構６が設けられているとともに、燃料電池スタック４に水素ガス（アノードガス）を供給する水素系の水素供給機構８が設けられ、また、車両駆動用電気機器や車両駆動用モータ（図示せず）等が設けられている。
【００１２】
空気供給機構６においては、燃料電池スタック４の酸化ガス供給口１０とエアクリーナ（フィルタ）１２とが、燃料電池スタック４に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路１４で連結されている。この酸化ガス供給路１４には、エアクリーナ１２側から順次に、酸化ガスの流量を計測する酸化ガス側流量計１６と、酸化ガスを燃料電池スタック４側に圧送するコンプレッサ１８と、このコンプレッサ１８で発生した騒音を低減する酸化ガス消音器２０と、酸化ガスの温度を低減する酸化ガス熱交換器２２とが設けられている。また、燃料電池スタック４の酸素ガス排出口２４には、酸素ガスを排出する酸素ガス側排出路である第１排出路２６が連結されている。この第１排出路２６には、酸素ガスの排出騒音を低減する酸素ガス消音器２８が設けられている。
【００１３】
水素供給機構８においては、燃料電池スタック４の水素ガス供給口３０に水素タンク（図示せず）からの水素ガスを導く水素ガス供給路３２が連結されている。また、燃料電池スタック４の水素ガス排出口３４には、燃料電池スタック４から排出された水素ガスを導くための水素ガス排出路である第２排出路３６の上流側が連結されている。この第２排出路３６の下流側は、第１排出路２６の酸素ガス消音器２８よりも下流側の合流部３８に連結されている。水素ガス供給路３２の供給側連結部４０と第２排出路３６の排出側連結部４２とは、循環路４４で連結されている。
【００１４】
この循環路４４は、燃料電池スタック４から排出された未反応ガスとしての水素ガスの一部を燃料電池スタック４に循環するものである。この循環路４４には、排出側連結部４２側から順次に、水素タンク側からの水素ガス及び燃料電池スタック４から排出された未反応ガスとしての水素ガスの一部を燃料電池スタック４側に圧送する水素循環ポンプ４６と、燃料電池スタック４から排出された未反応ガスとしての水素ガスの流量を計測する水素ガス側流量計４８とが設けられている。
【００１５】
また、排出側連結部４２よりも下流側の第２排出路３６には、該第２排出路３６を開閉するパージバルブ５０が設けられている。このパージバルブ５０は、水素ガスを燃料電池スタック４に圧送する水素循環ポンプ４６を含む水素循環路５２の近傍に配設されている。また、第２排出路３６には、第１排出路２６が連結された合流部３８と大気排出口５４とを接続する第３排出路５６が連結して設けられる。この第３排出路５６には、図示しないが、圧力調整弁が設けられている。
【００１６】
排出側連結部４２とパージバルブ５０間の第２排出路３６の接続部５８には、水素排出路６０が接続されている。この水素排出路６０には、図示しないが、圧力調整弁が設けられている。
【００１７】
また、パージバルブ５０には、制御手段６２が連絡して設けられる。この制御手段６２は、燃料電池システム２の停止時において、先ず、燃料電池スタック４への水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブ５０を開放制御するものである。また、制御手段６２は、水素供給機構８での水素系圧力が設定値よりも下がったときに、パージバルブ５０を開放制御するものである。水素系圧力は、例えば、水素系圧力センサ６４で計測されるものである。
【００１８】
また、コンプレッサ１８の下流側で、コンプレッサ１８と酸化ガス消音器２０間の第１排出路２６には、分岐部６６から分岐して酸素ガス消音器２８よりも燃料電池スタック４側の第１排出路２６途中に連結するバイバス通路６８が連結されている。このバイバス通路６８には、コンプレッサ１８から圧送された第１排出路２６側への空気流量を調整可能な空気量調整バルブ７０が設けられている。また、空気供給機構６には、空気系圧力を計測する空気系圧力センサ７２が設けられている。
【００１９】
コンプレッサ１８と水素循環ポンプ４６と空気量調整バルブ７０とは、制御手段６２に連絡して、該制御手段６２により作動制御される。また、制御手段６２には、水素系圧力センサ６４と空気系圧力センサ７２とからの検知信号が入力される。
【００２０】
そして、制御手段６２は、燃料電池システムの起動中に、コンプレッサ１８と空気量調整バルブ７０とを作動制御し、燃料電池スタック４からの水素ガスの水素濃度を、コンプレッサ１８側からの空気量で調整するものである。
【００２１】
次に、この実施例の作用を説明する。
【００２２】
燃料電池システム２において、図１に示す如く、空気供給機構６では、コンプレッサ１８が駆動することにより、エアクリーナ１２側からの酸化ガスが酸化ガス供給路１４から燃料電池スタック４に供給されるとともに、この燃料電池スタック４からの酸素ガスが第１排出路２６から排出され、また、水素供給機構８では、水素循環ポンプ４６が駆動することにより、水素タンクの水素ガスが水素ガス供給路３２から燃料電池スタック４に供給されるとともに、この燃料電池スタック４からの水素ガスが第２排出路３６にから排出される。
【００２３】
そして、車両の停止時等で、燃料電池システム２の起動停止時の水素ガスの排出にあっては、図２に示す如く、制御手段６２のプログラムがスタートすると（ステップ１０２）、燃料電池システム２の起動停止か否かを判断し（ステップ１０４）、このステップ１０４がＮＯの場合に、この判断を継続し、一方、このステップ１０４がＹＥＳの場合には、水素ガスの供給停止後に、微量発電を実施する（ステップ１０６）。この微量発電は、水素タンク側からの水素ガスの供給を行わず、所定時間（例えば約１分以内）、燃料電池スタック４内に残っている水素ガスのみを消費するために行う発電である。
【００２４】
次いで、水素系圧力（ＰＨ２）が水素系設定値（Ｐ１）以下及び空気系圧力（ＰＯ２）が空気系設定値（Ｐ２）以下か否かを判断する（ステップ１０８）。この場合、水素系設定値（Ｐ１）＝空気系設定値（Ｐ２）で、この水素系設定値（Ｐ１）、空気系設定値（Ｐ２）は、例えば、１１０〜１２０（ＫＰａ）である。
【００２５】
前記ステップ１０８がＮＯの場合に、この判断を継続し、一方、このステップ１０８がＹＥＳの場合には、パージバルブ５０を開放制御し（ステップ１１０）、そして、混合空気量を調整し、つまり、燃料電池スタック４から排出された水素ガスの水素濃度が適正な水素濃度（２〜４％以下）となるように、コンプレッサ１８や空気量調整バルブ７０を作動制御し（ステップ１１２）、且つ、パージバルブ５０を適宜開放作動し、そして、混合ガスを第３排出路５６から大気に排出し（ステップ１１４）、プログラムをエンドとする（ステップ１１６）。
【００２６】
また、車両の起動中等で、燃料電池システム２の起動中の水素ガスの排出にあっては、図３に示す如く、制御手段６２のプログラムがスタートすると（ステップ２０２）、水素系内の水素ガスの水素濃度（ＣＨ２）が設定水素濃度（Ｃ１）以下か否かを判断し（ステップ２０４）、このステップ２０４がＮＯの場合に、この判断を継続する。この水素系内の水素濃度（ＣＨ２）は、センサ等の検知手段による検知ではなく、燃料電池システム２の運転時間や発電量等により、所定のマップから算出されている。なお、起動中において、燃料電池スタック４内の水素ガスの水素濃度は、空気の膜透過等によって徐々に低下していくものである。これを防ぐために、図３の起動中の排出方法を用いて、適宜発電に使用された水素ガスを、希釈した上で、大気中に排出し、燃料電池スタック４内に供給する水素ガスの水素濃度を一定値以上に保つ必要がある。
【００２７】
一方、前記ステップ２０４がＹＥＳの場合には、パージバルブ５０を開放制御し（ステップ２０６）、そして、混合空気量を調整し、つまり、燃料電池スタック４から排出された水素ガスの水素濃度が適正な２〜４％以下となるように、コンプレッサ１８や空気量調整バルブ７０を作動制御し（ステップ２０８）、且つ、パージバルブ５０を適宜開放作動し、そして、混合ガスを大気に排出し（ステップ２１０）、プログラムをエンドとする（ステップ２１２）。
【００２８】
この結果、燃料電池スタック４の酸素ガス排出口２４に連結されて酸素ガスを排出する第１排出路２６を設け、上流側が燃料電池スタック４の水素ガス排出口３４に連結されてるとともに下流側が第１排出路２６に連結されて水素ガスを排出する第２排出路３６を設け、この第２排出路３６には、該第２排出路３６を開閉するパージバルブ５０を設けるとともに、第１排出路２６が連結された合流部３８と大気排出口５４とを接続する第３排出路５６を連結して設け、燃料電池システム２の停止時において、先ず、燃料電池スタック４への水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブ５０を開放制御することから、燃料電池スタック４から排出される水素ガスの量を低下させた後に、燃料電池スタック４からの水素ガスを酸素ガスと混合して大気に排出するので、燃料電池スタック４からの水素ガスを、適正な水素濃度（２〜４％以下）に希釈して大気に排出することができる。
【００２９】
また、制御手段６２は、水素系圧力（ＰＨ２）が水素系設定値（Ｐ１）よりも下がったときに、パージバルブ５０を開放制御することから、水素ガスが適正な圧力値に下がってからパージバルブ５０の開放制御を実施しているので、高い濃度の水素ガスが大気に放出されることがない。
【００３０】
更に、パージバルブ５０は、水素ガスを燃料電池スタック４に圧送する水素循環ポンプ４６を含む水素循環路５２の近傍に配設されていることから、水素ガスが水素ガスの系路に溜まるのを回避させて残留水素ガスの量を減少することができる。
【００３１】
更にまた、燃料電池システム２は、燃料電池スタック４に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路１４を備え、この酸化ガス供給路１４は、酸化ガスを圧送するコンプレッサ１８の下流側から分岐して第１排出路２６に連結するバイバス通路６８を備え、このバイバス通路６８には、空気流量を調整可能な空気量調整バルブ７０を備えたことから、空気系にバイパス通路６８及び補機としてのコンプレッサ１８を設けて第１排出路２６への空気流量を調整することにより、水素ガスの濃度が高い場合でも、大気に放出される水素ガスを適正な水素濃度に希釈することができる。
【００３２】
また、制御手段６２は、燃料電池システム２の起動中に、コンプレッサ１８と空気量調整バルブ７０とを制御し、大気中に排出される水素ガスの濃度を制御することから、燃料電池システム２の起動中においても、空気系の空気量をコンプレッサ１８と空気量調整バルブ７０とを制御することで、酸素ガスと混合して大気に排出するので、水素ガスを適正な水素濃度に希釈することができ、よって、燃料電池システム２の起動中に、適宜に希釈した水素ガスを放出することができ、燃料電池スタック４の発電性能を高いレベルに維持することができる。
【００３３】
即ち、この実施例においては、燃料電池システム４の起動停止時に、水素ガスを車外に放出する前に、燃料電池スタック４への水素ガスの供給を停止し、微量発電により水素系内に残った水素ガスを消費し、そして、水素ガスの圧力が十分に低下した後に、パージバルブ５０を開放制御して微量に残った水素ガスを、燃料電池スタック４に供給している空気と混合し、水素ガスの水素濃度を設定値（２〜４％）以下で、水素ガスを空気系の大気排出口５４から排出する。また、空気系には、コンプレッサ１８から大気排出口５４までに、バイパス通路６８と空気量調整バルブ７０とがあり、大気排出口５４側への空気量を任意に調整することができる。更に、水素ガスと空気との合流部分である第２排出路３６と第１排出路２６との合流部３８は、大気排出口５４付近にレイアウトされ、よって、水素ガスの配管部分を短くし、水素ガスの漏洩防止や水素脆性対策等、特殊な材料を使用する部品を低減し、水素ガスを大気に排出することができる。
【００３４】
つまり、車両が起動停止した後に、水素ガスの供給を停止し、そして、微量発電により水素ガスを消費させるので、水素系に残った水素ガスを消費することができ、水素系内の配管の圧力を下げることができる。また、水素系の排出側にパージバルブ５０を設け、空気系の大気排出口５４に水素ガスを合流させることから、水素ガスを希釈するための空気ブロア等を別途に不要とすることができる。更に、空気系にバイパス通路６８と空気量調整バルブ７０とを設けることにより、水素ガスを希釈する際に、空気流量を調整することができ、適正な水素濃度にすることができる。更にまた、水素と空気との合流部８が大気排出口５４近傍に配設されているので、水素ガスの配管を短くすることができる。また、水素ガスの流量を制御するパージバルブ５０は、水素循環路５２の近傍に配設されていることから、水素ガスの残量を低減することができる。更に、コンプレッサ１８と空気量調整バルブ７０とを厳密に制御することにより、車両の起動中の水素ガスを、適正に希釈して大気に排出することができる。
【００３５】
なお、パージバルブを空気の大気排出口よりも水素系の循環部分近傍にレイアウトすることにより、水素ガスの滞留する容量を低減することができる。また、空気量調整バルブを厳密に制御することにより、起動中の水素ガスも希釈することができる。
【００３６】
また、この発明においては、水素ガスの燃料電池スタックへの供給停止後に、水素循環ポンプを駆動し続け、残留水素ガスを微量発電に積極的に使用して水素ガスの有効利用を図ることも可能である。また、循環路にガス貯留タンクを設け、水素ガスの燃料電池スタックへの供給停止後に、残留水素ガスをガス貯留タンクに貯留させ、そして、再起動時に、このガス貯留タンクの水素ガスを燃料電池スタックに供給して、水素ガスの無駄を無くすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
排出される水素ガスの量を低下させた後に、水素ガスを酸素ガスと混合する構造を、燃料電池システム及び燃料電池車両に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】起動停止時の水素ガスの排出方法のフローチャートである。
【図３】起動中の水素ガスの排出方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
２  燃料電池システム
４  燃料電池スタック
６  空気供給機構
８  水素供給機構
１４  酸素ガス供給路
１８  コンプレッサ
２６  第１排出路
３６  第２排出路
３８  合流部
４４  循環路
４６  水素循環ポンプ
５０  パージバルブ
５２  水素循環路
５４  大気排出口
５６  第３排出路
６２  制御手段
６８  バイパス通路
７０  空気量調整バルブ
【図１】
2005129246.tif 000003
【図２】
2005129246.tif 000004
【図３】
2005129246.tif 000005